关键词：液压支架概念设计功能架型
现在ICAD应用得越来越广泛，工业设计中用ICAD来集成概念设计、结构设计、详细设计等整个设计过程，ICAD也已应用到液压支架的设计中，用ICAD将液压支架的概念设计、结构设计、详细设计、工程分析和综合评价等集成在
一起，形成液压支架的ICAD系统HS-IICAD。HS-IICAD由应用程序层、中间控制层和底层组成，应用层由建立设计目标、概念设计、平面结构设计和三维结构设计等许多应用模块组成。概念设计是应用层中的一个应用模块，它在建立设计目标之后、结构设计之前，由工作车间调度运行，接受建立设计目标的运动学、力学、几何设计目标，经过计算分析后，确定概念设计方案并输出到结构设计。
HS-IICAD采用基于原型的设计方法集成概念设计、结构设计等整个设计过程，它用设计原型组织信息表达知识，支持概念设计、结构设计、详细设计等。设计原型由五元组(原型标志ID，原型样图S，属性A，联接元L，转换规则T)组成，它由最佳实例表达，在不同的设计阶段分别由该阶段的最佳实例的抽象信息组成。概念设计的原型信息从概念设计实例中抽象出来，或由概念设计的最佳实例表达，它的信息有:S—液压支架概念设计图，A—各主要部分几何尺寸、各部分之间的关系，运动学设计目标、力学设计目标、支架运动轨迹、力学分析结果等。这些信息部分与设计目标有关，部分与结构设计有关。概念设计原型存储在HS-IICAD的概念设计原型库中，它是HS-IICAD原型库的一部分，可供整个系统调用。
一、概念设计功能模块
概念设计的目的就是通过分析计算，选择适当的尺寸实现设计目标，液压支架的设计目标由运动学、力学、几何尺寸3方面目标组成，如顶梁前端运动轨迹近似直线、支架的支撑力大于煤顶压力、支架支撑的采煤工作面的最高高度等。液压支架概念设计要进行架型选择、几何尺寸选择、顶梁前端运动轨迹分析、力学分析等，因此它由数据库操作、参数输入、运动学分析、力学分析、优化计算、断面力学分析功能模块，以及控制操作和帮助模块组成。
1、数据库操作
为了便于整个设计过程的集成与数据共享，便于管理与操作，设计原型信息存储在数据库中，数据库操作模块具有数据查询、修改、增加、删除等数据库管理功能，还有数据提取、与内存交换数据、保存数据的功能，可以实现对原型进行提取、应用和重建。可以利用数据库的提取功能从数据库中获取设计目标信息，进一步从数据库中匹配提取满足设计目标或近似满足设计目标的设计实例，作为概念设计的原型，保存在内存中，让运动学分析模块、力学分析模块等调用，以迅速得到满足设计目标的概念设计方案；再对满足设计目标的概念设计方案，用数据库操作中的数据保存功能项，将它与原型ID和相关管理信息组成新的原型，存入数据库，向原型库中增加新的设计实例，以供今后设计使用。
2、参数输入
为了让概念设计既能利用已有的设计实例，又能充分发挥设计人员的创造能力，建立了参数输入功能模块。该模块可以让设计人员交互地输入设计原型信息，它由40个变量分别存储设计目标的力学与几何尺寸要求及支架各部分关键尺寸；由概念设计原型样图表达各部分之间的结构关系，并利用原型样图提示各参数的输入，每个变量输入都有提示信息，帮助设计人员正确输入数据；输入完信息后自动对输入信息的正确性进行校核，如有错误即产生错误信息，提醒设计人员重新输入。
3、运动学和动力学分析
运动学分析模块以最大工作高度、最低工作高度、支架最长长度等设计目标为约束，以输入的尺寸参数为初值，通过运动模拟，分析各部分的运动轨迹，逐步找到理想的概念设计方案。动力学分析模块对经过运动学分析后选定的设计参数进行力学分析计算，以液压立柱的额定支撑力为基础，计算出液压支架能承受的最大压力，再计算各部件上承受的拉力、压力、力矩和关键断面上承受的弯矩、扭矩和剪切力。放顶煤支架以支撑掩护梁的立柱或千斤顶的额定压力为基础，计算出掩护梁承受的煤压力及作用在关键断面上的弯矩。按设定的步长从最高位到最低位一步步计算各个工作高度时的力学情况，并比较它们找到受力最大的关键部位和承受最大力时的工作高度。再计算出底板比压，为底座面积大小提供设计基础。
4、优化设计
由于顶梁前端运动轨迹近似直线的运动学设计目标比较难实现，优化设计模块专门解决这个问题。顶梁前端的轨迹即是四连杆机构的连架杆上某点的运动轨迹，优化设计从已有的原型中提取四连杆尺寸作为初值，经过优化后找到满足设计目标的四连杆机构尺寸。
5、断面力学分析
对各部件的关键断面针对力学分析算出的最大拉力，压力，弯矩、扭矩，用材料力学方法计算断面承受的拉力、剪力和安全系数，为结构设计阶段的断面设计提供设计依据。
二、架型和输入、输出信息
1、液压支架的架型
原型一般由最佳实例来表达，由从最佳实例中抽象总结出来的相关信息实现。基于原型的设计就是利用已设计好的实例进行再设计，要从原型库中选择适当的原型，为了便于对原型进行管理和选择，要对原型进行分类。液压支架概念设计的原型按支架类型进行分类，目前共分13类:(1)掩护式支架；(2)ZYZ型掩护式支架；(3)支撑掩护式支架；(4)ZYZ型支撑掩护式支架；(5)高位单绞点放顶煤支架；(6)高位四连杆放顶煤支架；(7)中位单绞点支撑式放顶煤支架；(8)中位单绞点支撑掩护式放顶煤支架；(9)单摆杆轻型放顶煤支架；(10)反四连杆支撑在顶梁带平衡千斤顶型支架；(11)反四连杆支撑在顶梁带掩护梁立柱型支架；(12)正四连杆支撑在顶梁带平衡千斤顶型支架；(13)正四连杆支撑在顶梁带掩护梁立柱型支架。以上架型是目前常用的架型，以架型为索引便于从数据库中提取相应的设计原型，也便于设计人员交互式地输入设计参数，因此概念设计子系统的菜单按架型进行制作，菜单项名称即是架型名称。
2、输入信息
设计原型由5元组(ID，S，A，L，T)表达，概念设计原型的信息也由5类组成，HS-IICAD定义了40多个变量代表这5类信息，它们是:ID类——产品ID号；S类——概念设计样图；A类——分别存储设计目标、尺寸等的40个变量；L类——图纸号；T类转换规则不属于输入输出内容，本文不论述。界面上的40个变量分别代表设计目标和尺寸，代表尺寸变量的几何含义由概念设计样图给出，由于各种架型部件之间结构不一样，因而各变量代表的几何尺寸也不完全相同。
3、输出信息
输出信息由运动学分析结果和力学分析结果两部分组成，运动学分析结果包括液压支架的最高工作位置、最低工作位置和顶梁前端的运动轨迹图，相应的关键点位置和尺寸。该图可自动转换成DXF格式的图形，输出到通用的CAD软件中，如Auto2CAD。力学分析结果是一张各工作高度的力学计算数据表格及关键部位的拉力、压力、弯矩的最大值。
参考文献：
[1]李春雨，谭同德等.液压支架.智能CAD系统的研究与应用.中国煤炭.2001，3
[2]杨振复，罗恩波等.放顶煤开采技术与放顶煤液压支架.北京:煤炭工业出版社，1995，7